2021 Fiscal Year Annual Research Report

Development of large arrays of superconducting detector for millimeter and sub-millimeter wave observation

Research Project

Project/Area Number	19K14736
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	木内健司東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (00791071)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	超伝導検出器 / MKIDs / 低温技術 / 低温検出器 / 量子検出器
Outline of Annual Research Achievements	これまで外部の半導体・MEMS素子作製工場に生産委託する形で直径８インチ（200mm）および直径６インチ（150mm）の超伝導力学的インダクタンス検出器（MKIDs）を開発してきた。最終年度も引き続き６インチ基板に作製したMKIDsの評価を継続した。MKIDsを構成する超伝導共振器と読み出し線の間の結合の最適化や、低ノイズな共振器の設計などMKIDs開発の基礎的な項目を確認することで今後の開発に向けたデータを蓄積した。また、これまで作製に用いてきたニオブ（Tc=9.2K）とアルミニウム（Tc=1.2K）に加えて、直径４インチ（100mm）の基板に成膜した窒化ニオブチタン（Tc=約15K）を用いたMKIDsを作製した。作製したMKIDsは、窒化ニオブチタンの特性通りニオブ製MKIDsに比べてより低ノイズな特性を示した。外部工場による窒化ニオブチタンを用いた素子の作製は国際的に見ても貴重であり、本研究を通して高品質な窒化物超伝導素子の作製技術が得られた。また、外部工場の生産能力が利用可能になったことにより、将来の大規模実験で要求される多数（基板100枚以上）の検出器を量産する体制の構築に向けて知見を蓄積することができた。 NbTiNとAlを組み合わせたハイブリッドMKIDsはその性能においても宇宙観測用途に実用可能な高い感度を示した。一方で、ニオブ製MKIDsはノイズ特性については窒化ニオブチタン製MKIDsに劣るものの、大型ウエハに成膜が容易であるという点において優位性がある。観測に要求される感度と検出器数などから用途に合わせて使い分けが可能になった。